Metrologie času. 1 V roce 1962 byl testován chod přesných hodin v přízemí a na vrcholu vodárenské věže. Změny rychlosti chodu

Transkript

1 Metrologie času Čas ve filozofickém smyslu je kategorií, zavedenou na základě praktických zkušeností s následností dějů. Jeho podstatu neznáme, víme však, že je vzájemně vázán s existencí hmoty a prostoru. Je to vlastnost hmoty, která vyjadřuje posloupnost vývoje materiálních dějů, jejich trvání, vzájemnou oddělenost jednotlivých stavů a umožňující na jednom místě rozhodnout co předchází a co následuje. Tím je možné taky chápat, co je příčina a co je následek. Čas je veličina protenzívní, tj. taková, která se trvale a spojitě mění a kterou nemůžeme zpětně reprodukovat. Tato vlastnost je pro čas specifická a při praktické činnosti přináší mnohé těžkosti. Již od prehistorie se čas měřil podle nebeských úkazů a podle pravidelně se opakujících jevů v přírodě, které člověku sloužily při práci a organizaci života. Rok, měsíc a den se odvozovaly podle přirozeného pohybu Slunce, Měsíce a Země. Začaly se vytvářet míry pro časový interval a čas (tj. časovou stupnici). Časový interval má definovaný začátek a konec, čas má začátek o půlnoci předchozího dne a konec je dán současností. Z pozorování pravidelně se opakujících událostí se dostáváme k pojmu frekvence (kmitočet), její převrácená hodnota je perioda, což je časový interval. Časové míry, běžně používané v občanském životě a v kalendáři neodpovídají jednotkám SI. Měsíce, dny, hodiny a minuty nejsou jednotkami SI. Sekunda (nikoliv vteřina!) je jednotkou SI a nedoznala změny od počátku vytváření soustav jednotek. Sekunda dobře vyhovuje člověku jako míra času, je blízká přirozenému rytmu lidského života neboť perioda činnosti lidského srdce se od sekundy příliš neliší. Do soustavy SI patří kilosekundy, megasekundy, milisekundy, mikrosekundy atd. Aristoteles a Newton věřili v absolutní čas. Domnívali se, že lze jednoznačně určit časový interval mezi dvěma událostmi a že tato doba je stejná pro všechny pozorovatele. Experimenty s měřením rychlosti světla nás přiměly změnit toto stanovisko. Čas jako fyzikální veličina není nezávislý. Podle teorie relativity je čas projevem hmoty a závisí na rychlosti tělesa a na umístění pozorovatele. Na Zemi za rychlostí, které se neblíží rychlosti světla se tyto vlivy projevují nepatrně. Rychlost plynutí času závisí i na velikosti gravitace v daném místě 1. Je to tedy veličina relativní. Důsledkem této relativnosti je porušení zákona kauzality, tedy vztahu příčiny a následku. Korekce na gravitaci má význam při realizaci etalonů a při zavádění přesných navigačních systémů pomocí družic. Tento vliv byl respektován i při poslední definici a realizaci jednotky času. Čas není nezávislý ani na prostoru, je s prostorem spojován v jedno jsoucno "prostoročas". Mimo vesmír nemá čas ani prostor smysl. Fyzikální zákony nedělají žádný rozdíl mezi minulostí a budoucností, nezmění se ani kdybychom matematicky obrátili tok času. Vlastnosti času jako protenzívní veličiny se vyjadřuje pojmem "šipka času", zdůrazňující její jednosměrné plynutí. Toto pojetí je podepřeno druhou větou termodynamickou (narůstání entropie v uzavřeném systému, neuspořádanosti), podepřeno je také projevem psychologickým (pamatujeme si minulost a nikoliv budoucnost) a projevem kosmogonickým (směr času je shodný se směrem rozpínání vesmíru). 1 V roce 1962 byl testován chod přesných hodin v přízemí a na vrcholu vodárenské věže. Změny rychlosti chodu hodin byly v souladu s obecnou teorií relativity. Podobný pokus uskutečnil ÚRE dlouhodobým testováním svých hodin v ústavu v Praze a na Pradědu, se stejným výsledkem. 1

2 Časoměrná zařízení Časová zařízení se vyvíjela hlavně s rozvojem astronomie a mechaniky. Základem všech časoměrných zařízení jsou hodiny (stroj), tedy zařízení na akumulaci periodických událostí a jejich zobrazení v žádané formě, přičemž musí být definován počáteční bod (čas) sledovaných událostí. Každé hodiny se tedy skládají ze tří částí: frekvenčního zdroje, akumulátoru periodických událostí a zobrazovací části. Periodické události, které jsou načítávány do akumulátoru periodických událostí mohou být různého původu. Mohou to být kmity kyvadla, kmity setrvačky, oscilace křemenného krystalu nebo kmity signálu při rezonanci atomů. Tím jsme zároveň vyjmenovali principy možných frekvenčních zdrojů. Hodiny jsou strojem, který pohání energie mechanická (polohová u závaží nebo deformační u pružiny), elektrická u křemenných nebo atomových hodin. Přenos energie je řízen pomocí krokového mechanismu nebo řízeného oscilátoru. Vždy jsou to obvody se zpětnou vazbou (tedy regulační obvody) zajišťující rovnoměrnost chodu. Časoměrná zařízení je obecný pojem všech zařízení používaných při etalonáži a měření času. Z běžného života známe hlavní zařízení pro měření času, tedy hodiny. Hodiny řízené kyvadlem se dnes již používají jako starožitnost. Stále se ještě používají mechanické hodiny nebo hodinky, poháněné nataženou pružinou. Není důležité, zda se tato pružina natahuje ručně či automaticky při pohybech ruky. Tyto hodinky jsou řízené setrvačkou, tedy rotačně kmitajícím setrvačníkem. Těžiště setrvačky nebývá přesně v rotační ose a proto chod těchto hodinových strojků závisí na jejich poloze. Protože s teplotou většina materiálů mění své rozměry, bude údaj tohoto hodinového strojku záviset také na teplotě. Digitální hodinky jsou řízené kmitáním piezoelektrického krystalu křemene. Také u tohoto časoměrného zařízení se bude vyskytovat teplotní závislost. Používají se však různé teplotní kompenzace, takže tyto vlivy nemusí být v běžném životě pozorovatelné. Definice jednotky času - sekundy Původně se definice jednotky času opírala o zdánlivý pohyb Slunce po obloze, způsobený otáčením Země kolem vlastní osy. Doba jedné otáčky je sluneční den, který se dělí na 24 hodin, každá hodina na 60 minut a každá minuta na 60 sekund. Dnes se sekunda definuje a realizuje pomocí kvantových jevů, vzniká atomový čas (TA). Z metrologického hlediska je nejvýhodnější již uvedená definice atomové sekundy. Již roku 1967 byla přijata nová definice jednotky času: "sekunda je doba trvání period záření, odpovídajícího přechodu mezi dvěma velmi jemnými hladinami základního stavu atomu cesia 133". Definovaná sekunda se nazývá atomovou sekundou. Z definice je patrný vztah mezi časem a frekvencí, etalonáž času a frekvence jsou spolu bezprostředně spojeny. Od roku 1971 se používá stupnice tzv. mezinárodního atomového času (TAI), který je definován jako atomová sekunda na geoidu. Geoid je myšlená ideální plocha na zeměkouli se stejným tíhovým zrychlením nerušená větry, mořskými proudy a slapovými silami, přibližně v úrovni hladiny moře. Problémy časových stupnic se zabývá Bureau International de l'heure (BIH) v Paříži, součást BIPM. Toto mezinárodní ústředí vytváří čas TAI jako vážený střed ze stovky stanic referenčního systému, jehož hodiny se neustále porovnávají přes družicový navigační systém GPS. Toto je virtuální mezinárodní etalon času. 2

3 Etalony času Definice sekundy je vázána na způsob realizace. Podle ní je primárním etalonem času cesiový etalon, v němž se využívá schopností atomů cesia 133 absorbovat elektromagnetické záření o kmitočtu 9 192, MHz. Vztah mezi energií a kmitočtem je: Δ E = h f (1) kde je ΔE (J) energie absorbovaná nebo vyzářená, h (J s) je Planckova konstanta, f (s -1 ) kmitočet. Základní stav atomu cesia 133 se totiž v důsledku magnetické interakce mezi jaderným a elektronovým momentem štěpí na dva stavy (hyperjemná struktura spektrálních čar). Princip cesiového etalonu času je na obr. 1. Ve vyčerpané trubici je umístěn žhavený zásobník cesia 133. Z něj vystupuje svazek cesiových par, z nichž některé jsou ve vyšším, jiné v nižším energetickém stavu. Při průletu separátorem jsou jeho magnetickým polem odchýleny stranou atomy ve vyšším energetickém stavu, zatímco atomy v nižším energetickém stavu vletují do rezonátoru, buzeného signálem o kmitočtu odpovídajícím rozdílu obou energetických stavů. Při průletu atomů rezonátorem dochází k jejich vybuzení do vyššího energetického stavu. Vybuzené atomy proletí druhým separátorem, nevybuzené atomy jsou odkloněny stranou. Atomy vybuzené v brezonátoru pak dopadají na kolektor. Proud kolektoru závisí na počtu dopadajících vybuzených atomů a těch je tím více, čím je frekvence signálu budícího rezonátor bližší frekvenci příslušející rozdílu obou energetických stavů atomů 133 Cs. Proud kolektoru je zesílen a koriguje se jím pomocí dolaďovacího členu kmitočet krystalem řízeného oscilátoru, z nějž se syntezátorem vytváří signál pro buzení rezonátoru. Jedná se vlastně o extremální regulaci, tedy regulační obvod, který udržuje proud kolektoru na maximu (nebo kolem tohoto maxima). Tak se dosahuje toho, že frekvence signálu budícího rezonátor odpovídá frekvenci příslušející rozdílu obou energetických hladin. Z oscilátoru lze odebírat signál přesného kmitočtu. Cesiové etalony dosahují vysoké přesnosti. Ve špičkovém provedení dosahují přesnosti (1995). Dnes jsou již komerčně dostupné např. výrobky firmy Hewlett Packard. Stabilita je za rok. Pro kratší časové úseky je stabilita horší. Obr. 1: Princip cesiového primárního etalonu času 3

4 Jako etalon se používá i vodíkový maser 2. Jedná se o přenosné zařízení s menší nerovnoměrností chodu po kratší dobu, sloužící hlavně jako porovnávací nebo navazovací etalon. Ve vodíkovém maseru tedy atomy vodíku energii vyzařují. Získává se tak signál o kmitočtu 1 420, MHz, odpovídající přechodu mezi energetickými podhladinami, jehož přesnost je lepší než V sekundární etalonáži se využívá rubidiový laser, který vykazuje menší krátkodobou nerovnoměrnost chodu. Je to konstrukčně jednodušší a levnější kvantový etalon. Je v něm baňka s parami 87 Rb, která se prosvěcuje světlem a prošlé světlo se snímá fotodiodou. Signál z fotodiody slouží k automatickému dolaďování krystalového oscilátoru 5 MHz, od jehož signálu se odvozuje buzení dutinového rezonátoru asi 6 834,684 2 MHz, ve kterém je baňka umístěna. Rubidiový etalon má proti cesiovému etalonu horší dlouhodobou stabilitu. Jako sekundární etalony času a kmitočtu často slouží oscilátory řízené krystalovým výbrusem. Oscilátory jsou vlastně LC rezonanční obvody a krystalový výbrus je součástí tohoto obvodu, vytváří kapacitní složku obvodu. Krystalový výbrus se vyrábí z monokrystalu křemene (SiO 2 ), který má piezoelektrické vlastnosti, výbrus musí být proveden v určité orientaci vzhledem k optické a elektrické ose krystalu. Kmitočet takového oscilátoru je určen vlastnostmi použitého krystalového výbrusu, zejména jeho hmotností, a bývá od desítek khz do jednotek MHz. Aby se zajistila dostatečná stabilita kmitočtu, musí být teplota krystalového výbrusu křemene nebo celého oscilátoru udržována na konstantní hodnotě s přesností až ± 0,001 C pomocí dvojitého termostatu. Tak se dosahuje stability kmitočtu až přes Nevýhodou je i změna kmitočtu v čase, způsobená stárnutím krystalu. Takové sekundární etalony musí být trvale v provozu. Hodnota frekvence krystalového oscilátoru musí být stanovena na základě srovnání s primárním etalonem. Proto mohou tyto oscilátory sloužit pouze jako sekundární etalony kmitočtu a času. Jejich výhodou ve srovnání s primárními etalony je relativní jednoduchost, tedy i nižší pořizovací náklady. Náhradní elektrické schéma křemenného rezonátoru je na obr. 2. L C R C P Obr. 2: Náhradní schéma křemenného rezonátoru Na rozdíl od etalonů jiných veličin mají etalony času a kmitočtu cennou výhodu v tom, že jejich produkty se dají velmi snadno přenášet na dálku. Přesné časové intervaly a kmitočty tak mohou být k dispozici uživatelům, kteří nevlastní nákladný etalon času a kmitočtu. Dálkový přenos se děje buď po vedeních nebo bezdrátově. V obou případech je nutno počítat s tím, že přenosová cesta ovlivňuje do jisté míry okamžitou hodnotu přenášených časových intervalů a kmitočtu. Po vedeních se většinou přenášejí nižší kmitočty. Přenos etalonových signálů vyšších kmitočtů se dělá radiovou cestou. Vyšší kmitočty se tak přenášejí jako nosný kmitočet, nižší kmitočty či delší časové intervaly se přenášejí pomocí amplitudové či impulsové modulace. Přesnost etalonových kmitočtů či časových intervalů v místě příjmu je ovšem ovlivňována vlastnostmi prostředí, kterým se radiové vlny šíří. Výhodné podmínky jsou pro přenos kmitočtů na velmi dlouhých vlnách. 2 Emituje koherentní elektromagnetické záření v oblasti mikrovln. 4

5 Signály s etalonovými kmitočty vysílá řada stanic. Naše stanice OMA50 a OMA2500 skončily svou činnost již před patnácti lety. U nás se přijímá časoměrný dlouhovlnný signál z Německa, stanice DCF 77, jejíž služby využívají rozhlas, televize a radiově řízené hodiny. Stanice DCF 77 vysílá z Německa na velmi dlouhých vlnách 77,5 khz. Velmi dlouhé vlny mají výhodu, že se ohýbají kolem zemského povrchu. Vysílací výkon je 50 kw a vysílač je umístěn blízko letiště ve Frankfurtu nad Mohanem. Nosná vlna s etalonovým kmitočtem je klíčována časovými impulsy v trvání 100 ms tak, že každou sekundu se na uvedenou dobu sníží vyzařovaný výkon na 25 % normální úrovně. Jako reference se doporučuje používat sestupné hrany impulsu při 70 % jeho plné amplitudy. Tento okamžik signálu je u nás asi o 230 μs opožděn vzhledem k okamžiku přesného času. Impuls při 59. sekundě je vynechán a tak je vyznačeno, že příští impuls značí počátek první sekundy následující minuty. Od 20. sekundy se v binárně dekadickém kódu vysílá číslo minuty, hodiny, kalendářní datum, číslo dne v týdnu, číslo měsíce a poslední dvojčíslí letopočtu. Kód je tvořen šířkovou modulací časových impulsů, které při logické 0 trvají 100 ms, při logické I trvají 200 ms. Prvních 15 sekund každé minuty mohou být vysílány další informace. Od pulsů v 57. až 60. sekundě se odvozuje zvukový signál vysílaný rozhlasem, víz obr. 3. čas DCF 77 77,5 khz 50 kw Mainflingen, SRN Výkon čísla sekund 100 % 25 % 0 % 100 ms 500 ms akustický signál rozhlasu 1kHz 1 s 100 ms přesný čas Amplituda napětí 100 % 70 % 100 ms 200 ms číslo minuty v BCD kódu 20 až 27 s číslo hodiny 28 až 35 s kalendářní den číslo dne v týdnu číslo měsíce poslední dvojčíslí v letopočtu 50 % 0 % log 0 log 1 Průběh sestupné hrany Obr. 3: Schéma časoměrného signálu stanice DCF 77 Způsoby navazování etalonů a časoměrných zařízení Navazování příjmem etalonových radiových signálů Použití etalonových signálů je omezené jejich parametry na vysílací a přijímací straně. Na trase šíření signálů dochází k zhoršení stability frekvence. Změna kvality signálu nastává při východu nebo při západu Slunce. Nejčastěji se frekvencí signálů řídí pomocný oscilátor, jehož frekvence se používá pro porovnávání. Viz obr. 4. Základem uvedeného zařízení je řízený oscilátor, jeho kmitočet f může být v určité míře řízen napětím. Jeho kmitočet se porovnává s kmitočtem f 0, který se získává příjmem radiového časoměrného signálu. Řídící jednotka pak z rozdílů kmitočtů vytváří řídicí napětí jako akční veličinu, která ovlivňuje kmitočet oscilátoru tak, aby rozdíl kmitočtů byl 5

6 nulový. Jedná se o klasický obvod se zápornou zpětnou vazbou. Z oscilátoru je pak možno odebírat etalonový kmitočet f. Tento kmitočet má nejenom stejnou frekvenci, ale sleduje i stejnou fázi časoměrného signálu. Proto se tomuto zapojení také říká oscilátor ve fázovém závěsu. Toto zařízení je ve všech časoměrných zařízeních a hodinách, které jsou tzv. "radiově řízené". Jsou to nejen digitální hodiny, ale i (digitální) hodiny s analogovou indikací a časoměrné karty do PC. Takto je možno provádět také porovnávání hodin nebo etalonu s etalonem vysílače nebo dvou etalonů mezi sebou. f 0 Přijímač f 0 f Řídící jednotka Řídící napětí Výstup Oscilátor Obr. 4: Blokové schéma řízení oscilátoru radiovým signálem Navazování přenosným etalonem: Tento způsob se používá, když chyby předchozího porovnání jsou příliš velké. Porovnání se provede v jednom místě, přenese se etalon a porovnání se provede v jiném místě. Toto porovnání neovlivňují rychlosti šíření signálů, ale časová stabilita frekvence etalonu, neboť se měření provádí v různých dobách. Důležitým nástrojem porovnávání jsou čítače, které měří počty pulsů. Je možné také elektronicky vytvářet rozdílový kmitočet, který je měřítkem rozdílnosti chodu dvou časoměrných zařízení. Bezprostřední navazování: Toto navazování je nejpřesnější bez chyb předchozích metod. Používá se pro přenos hodnoty frekvence z primárních na sekundární etalony. Časoměrná zařízení vykazují stejně jako jiné měřicí přístroje chyby systematické, často způsobované ovlivňujícími veličinami a chyby náhodné. Jak se tyto jevy projevují na frekvenci je vidět z následujícího obr. 5. Způsoby navazování časoměrných zařízení se i v nedávné minulosti značně měnily. Časoměrné signály DV (dlouhých vln) a VDV (velmi dlouhých vln) se již nepoužívají v navazování etalonů, stále se však používají jako řídicí signály pro radiově řízené hodiny a časoměrná zařízení. Také použití obrazových synchronizačních impulsů televizního signálu (TV) se pro navazování již nepoužívá. Stejný osud potkal i navazování času pomocí navigačního zařízení LORAN C. Dnes se již výlučně používá jen navazování pomocí satelitního systému GPS. Také počet časoměrných laboratoří ve světě roste, jak je vidět z obr. 6. 6

7 Obr. 5: Znázornění náhodného časového průběhu frekvence Obr. 6: Vývoj počtu laboratoří spolupracujících s BIH a použití prostředků navazování Metrologie času v ČR Na světě existovalo v roce 1995 asi 320 cesiových etalonů v 60 světových laboratořích, kterými se vytváří světová definice času jako jejich vážený průměr. Z toho má ČR čtyři etalony, s váhou 2,9 %. což je srovnatelné s etalony nejrozvinutějších zemí. Národní etalony jsou trvale vázány pomocí radiotechnických prostředků jednak mezi sebou a jednak pomocí globálního navigačního systému GPS NAVSTAR na TUC. 7

8 První cesiový svazkový etalon byl v ČSSR od r. 1969, byl v Praze v ÚRE AV ČR (Ústav radiotechniky a elektroniky, dnes ÚFE AV, Ústav fotoniky a elektroniky) v Praze Kobylisích. Po rozpadu federace zůstal v ČR. Dnes jsou k dispozici čtyři průmyslové svazkové cesiové generátory (hodiny), z nichž dva jsou v ÚFE a dva v mezinárodní telefonní ústředně na Žižkově, kde slouží k synchronizaci digitálních telefonních ústředen. Obě pracoviště jsou propojena optickými kabely k obousměrnému přenosu signálů jednotlivých cesiových hodin, tj. k jejich vzájemnému navazování uvnitř jimi vytvořeného skupinového etalonu. Kromě toho je pracoviště ÚFE vybaveno nezbytnou technikou pro výše popsané mezinárodní navazování. Jedná se o dva časové přijímače GPS, které jsou dnes základním prostředkem mezinárodního navazování, čítači, termoregulačním systémem pro udržování konstantní teploty v prostoru etalonu. Již dříve bylo vytvořeno automatizované pracoviště pro měření a vyhodnocování krátkodobé frekvenční nestability a fázového šumu frekvenčních zdrojů. Český státní etalon vytváří sekundu, která je navázána na jednotku času TUC definovanou časovou sekcí BIPM s nejistotou menší než (desetidenní průměr). Uvedená přesnost je ekvivalentní nejistotě, s níž je v desetidenním intervalu známa průměrná frekvence generovaná etalonem. Na základě této sekundy se vytváří oficiální česká časová stupnice TUC (TP), jejíž vztah ke světové časové stupnici je znám s nejistotou menší než 10 ns. Pro sekundární etalonáž času a frekvence je v ČR několik etalonů. Jsou to opět kvantové generátory, fázově zavěšené krystalové oscilátory, autonomní krystalové generátory, čítače, hodiny a stopky. Pro porovnání etalonů se u nás používá: metoda přímého porovnávání, signál dlouhovlnné stanice DCF 77, signál globálního navigačního systému GPS. Dnes již se nepoužívá televizní metoda, pomocí snímkových synchronizačních impulsů, ani 2,5 MHz signál, vkládaný do 21. řádku TV signálu. Metodiku pro navazování etalonů a měřidel času řešila norma PNÚ , kde je uvedeno i schéma návaznosti měřidel času a frekvence, viz obr. 7. Tato norma je ještě z dob federace, ale způsob navazování se v principu příliš nezměnil. Primární etalonem kmitočtu je dnes skupinový svazkový cesiový etalon. Jako sekundární etalon prvního řádu je pak rubidiový kvantový etalon. Na něj navazují termostatizované piezoelektrické krystalové jednotky, dále krystalové jednotky bez termostatizace s menšími požadavky na přesnost. Na konci jsou pak generátory kmitů a čítače. Na tyto prostředky přesných kmitočtů pak navazují na různých stupních další časoměrná zařízení. 8

9 primární etalonážní řád s r γ /ok provozní měřidla sekundární etalonážní řády 4. řád 3. řád 2. řád 1. řád Obr. 7: Schéma návaznosti etalonů a měřidel frekvence a času 9